Текст книги "История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия"

Добыча полезных ископаемых и металлургия

Римляне активно искали полезные ископаемые и были практически так же примитивны в своих методах добычи, как и другие народы древности. Но в 50 году до н. э. их сенат ограничил разработку месторождений в Италии. Плиний Старший заявил, что в стране изобилие металлов. По его словам, сенат предпринял это действо, чтобы сохранить полезные ископаемые Италии. Более поздние историки с ним не согласились, посчитав, что в основу этого решения положены сложные военные и политические причины.

Римляне часто оставляли завоеванные территории местным жителям, обязав их платить дань, но месторождения – никогда. Даже будучи общественной собственностью и отданные в аренду пришельцам поля плодоносили и для местного населения, и для римлян. Но с полезными ископаемыми все было иначе. Республика присвоила себе практически все минералы: те, что принадлежали бывшим правителям, – по праву победителей, те, что находились в частном владении, – посредством конфискации или принуждения к продаже. И преемники республиканцев, императоры, отождествлявшие себя с государством, поступали так же, в первую очередь думая о личном обогащении, а уж потом об общественном благе.

Независимо от изменения титула и уровня дохода, римские власти, республиканцы и императоры, не сомневались, что природные ресурсы – монополия государства и должны разрабатываться государством для себя. Так оно в целом и было, хотя некоторые месторождения не самых ценных металлов оставались в частном владении или позже, после упадка республики, были отданы в собственность семействам фаворитов-патрициев, которые аккумулировали огромные состояния, якобы работая на государство. Едва ли можно было ожидать от этих, по сути, мародеров обеспечения прогресса и охраны рабского труда – разве что проводилось минимальное содержание и техническое обслуживание. Владельцы месторождения стремились как можно скорее и дешевле извлечь металл из земли. Человеческая жизнь практически ничего не значила для римлян, тем более когда речь шла о рабах, трудившихся в шахтах. Понятно, что они использовали водяные винты и барабаны для очистки галерей и штолен, но они должны были работать постоянно, чтобы разработка не была затоплена и сами рабочие не утонули.

Нет никаких сомнений в том, что в Риме были опытные и умелые металлурги. Это наглядно показывает их продукция, которая сейчас хранится в разных музеях мира. Но нет никакой современной литературы, описывающей методы их работ и формулы. Такие технические сведения передавались только устно от поколения к поколению мастеров. Практически все сведения получены на основе исследования образцов готовой продукции. Римляне творили волшебство из металла, но как они это делали – никто не знает. По-видимому, не было налажено сотрудничество между теми, кто писал, и теми, кто работал с металлом, по крайней мере до того, как монах Феофил около 1050 года написал трактат о металлургии – руководство для рабочих. Плиний Старший попытался сообщить некоторую информацию в «Естественной истории», завершенной в 77 году, но его наблюдениям не хватало как технических знаний, так и практического опыта. Его теория относительно вреда меди в железе просуществовала до недавнего времени, хотя сейчас медь успешно используется в стали там, где необходимо повышенное сопротивление коррозии. Витрувий также писал о металлах, особенно об использовании свинца для изготовления труб, но его вклад в наши знания о римской металлургии ничтожен в сравнении с его информацией об архитектуре и машинах.

Византийская инженерия

Представляется очевидным, что инженерное искусство вошло в новую стадию повышенного интереса к себе и практической важности, когда лидерство в западном мире в VI веке переместилось от Рима к Константинополю. Стены византийской столицы, поднимающиеся ряд за рядом на высоту свыше 40 футов, – одна из европейских достопримечательностей. В течение тысячелетия они успешно отражали нашествия варваров. Во многих местах их толщина достигает 14 футов, при этом сердцевина делалась из бетона. Прочная каменная кладка не требовала особой облицовки и на отдельных участках покрыта обычными кирпичами. Однако в самых уязвимых местах имелись тесаные камни, скрепленные железными скобами. В дополнение к этим фортификационным сооружениям в разные времена через бухту Золотой Рог были протянуты тяжелые железные цепи. Части цепи, которая использовалась в 1453 году, когда город в конце концов сдался туркам, до сих пор можно увидеть в церкви Святой Ирины в Стамбуле.

Для организации водоснабжения инженеры Константинополя копировали римские работы. Их наиболее впечатляющие творения – акведук, названный в честь Юстиниана, хотя он, вероятнее всего, был построен двумя веками раньше при Константине и после этого перестраивался. Константинопольские инженеры продемонстрировали свое мастерство при создании подземных резервуаров внутри городских стен. Историк Прокопий описал, как император Юстиниан велел вырыть котлован на очень большую глубину – до скальной породы, чтобы обеспечить запасы воды на сухой сезон и на случай осады. Украшенная цистерна, известная как 1001 колонна, располагается на глубине 50 футов ниже уровня земли и вмещает более 9 миллионов галлонов воды. Остатки другой цистерны, названной подземным дворцом, имеют 336 колонн в 28 рядах.

Рассказ Прокопия, датируемый примерно 560 годом, является одним из самых ранних описаний инженерии, практиковавшейся в течение многих веков. У Юстиниана была защищенная гавань там, где раньше не было ничего. Его инженеры опустили на дно огромные срубы, или ряжи, а поверх – тяжелые камни, расположив все это в виде сходящихся линий, протянувшихся с берега. На этих основаниях – кессонах – строились волноломы из грубо обработанных камней. Метод был, по сути, тем же, что использовали инженеры Клавдия в Остии пятью веками раньше.

Дамба в районе византийского города Дара на персидской границе была намного важнее, поскольку демонстрировала отход от установившихся инженерных практик. Подобный тип можно видеть в каньонах запада Соединенных Штатов. Хрис из Александрии, один из инженеров Юстиниана, соединил концы дамбы в Даре со скалами и повернул ее вверх по течению полумесяцем или аркой, так чтобы давление воды шло горизонтально вдоль арки к краям. Ворота плотины на верхнем и нижнем уровнях давали возможность сбрасывать излишки воды. Как эти ворота открывались и закрывались, Прокопий не объяснил. Он счел более важным сообщить, что, когда Хрис услышал новость о катастрофическом наводнении в Даре, он отправился спать, крайне огорченный, и видел сон. Результатом стал план, чудесным образом совпавший с тем, что пришел в голову императору, безусловно вдохновленному свыше. Инженерам Анфимию и Исидору оставалось только скромно замолчать, поскольку Бог стал партнером императора во всех делах, которые приносили пользу государству, и план Юстиниана и Хриса был принят.

Рис. 4.16. Структура собора Святой Софии, Стамбул

Анфимий из Тралл, что в Лидии, и Исидор из Милета оставили видный след в истории реконструкцией церкви Святой Софии, точнее, Хагия София, церкви Божественной мудрости (рис. 4.16). Реконструкция началась в 532 году по распоряжению императора Юстиниана. Как и Архимед, Анфимий был математик и опытный экспериментатор в области механики и оптики. Он описал, как Архимед сжег корабли с помощью системы зеркал, и, как утверждают, изучал параболу. Традиционно считается, что он открыл использование пороха. До нас дошли только отдельные фрагменты его трудов. Об Исидоре известно лишь то, что он был известным математиком, а также коллегой и преемником Анфимия в реконструкции собора Святой Софии.

Византийские инженеры расширили и развили принцип арки. Речь идет о фиксации напряжений от более или менее постоянной нагрузки с тем, чтобы распределить по отдельным точкам опоры, между которыми останется свободное пространство. Византийская конструкция, ушедшая далеко вперед по сравнению с трудами египтян, греков и римлян, состояла из купола или полой полусферы, опиравшейся на углы квадратной башни, диагонали которой равнялись диаметру основания купола. Части купола, которые иначе должны были свисать, переходили в плоскости боковых стен башни, образуя полукруглые арки и оставляя над каждым углом башни перевернутый сферический треугольник, известный в архитектуре как тромп купола, который передавал вес купола и того, что на нем располагалось, башне и далее фундаменту. В некоторых случаях вертикальный цилиндр, находившийся на главном куполе, венчал меньший.

Основываясь на этих принципах, Анфимий, Исидор и их коллеги возвели конструкцию, считающуюся одним из величайших творений человеческого гения. Она стоит на каменном основании, и ее сложнейшая крыша поддерживается на высоте 180 футов над землей четырьмя арками с пролетом 100 футов и колоннами толщиной 25 футов. Святая София простояла более четырнадцати столетий. Нам неизвестен точный состав раствора, который использовался в этом сооружении, так же как и, вероятно, в других постройках этого периода. Георгий Кодинос, известный автор XIV–XV веков, утверждал, что раствор состоит из битой черепицы, вареного ячменя, извести и рубленой коры ильма. Чтобы замедлить его схватывание, использовалась тепловатая вода. Он утверждает, что в конечном счете раствор стал твердым, словно железо. Не исключено, что ему можно верить, потому что автор, как известно, имел доступ к древним манускриптам. Очевидно, никому не пришло в голову провести современные испытания прочности раствора из Святой Софии на разрыв.

Глава 5
Революция в энергетике

Линн Уайт в ставшей теперь классической статье «Технологии и изобретения в Средние века» писал: «Главным достижением Средневековья были не его соборы, не его этика или схоластика, а построение впервые в истории сложной цивилизации, не основанной на применении тяжелого труда рабов или кули». Средневековая энергетическая революция определенно является одним из ярких и важных событий в истории. Тем не менее столетия, последовавшие за упадком Римской империи, часто называют на западе Темными веками, и многие полагают, что никого, кроме церковнослужителей, не интересовали проблемы улучшения условий жизни людей в это время. Однако все же были инженеры, успешно применявшие свои знания, чтобы удовлетворить потребности современников. Они занимались изобретательской деятельностью, делали важные открытия. Было бы ошибкой считать, что западная цивилизация в эти времена вернулась к примитивным условиям, предшествовавшим даже шумерам и египтянам, поскольку, когда римские границы ослабели, Западную Европу захлестнули волны кочевников. На самом деле варвары принесли с собой многие новые знания и внесли весомый вклад в развитие западной цивилизации. Варвары доставили не только такие инженерные инновации, как компактный дом и высокий деревянный шпиль, но также показали нам такие вещи, как штаны, масло и мыло.

Цивилизация, которой варвары отдали свои знания и опыт, унаследовала в основном традиции греко-римского мира. Понятно, что, если речь идет о науке и технологии, христианский Запад придерживался римских традиций, которые предпочитали инженерию, а не чистую науку. Зато ислам унаследовал и поддерживал в Средние века греческую науку и технологии. На Западе практически не было научной деятельности до XII–XIII веков, когда западные ученые стали переводить арабские научные труды на латынь. Мусульмане перевели большинство греческих научных книг на арабский язык пятью веками раньше. Таким образом, две разные традиции, возникшие с подъемом римлян в классической древности, продолжались раздельно приблизительно до XIII века. Когда латинский Запад начал принимать греческие научные знания, которые мусульмане передали и дополнили, две традиции начали сливаться.

Большое значение для стимулирования развития источников энергии, не связанных с человеком, имели упадок института рабства и продолжающийся рост христианства. Как указал Линн Уайт, история средневековой технологии в определенной степени является историей религии. Христианский идеал вечной ценности человека и соответствующее нежелание заставлять людей выполнять работу, не требующую ни интеллекта, ни проницательности, были среди главных факторов, которые спровоцировали эволюцию механической энергии как замену человеческим мускулам. Не будет преувеличением утверждать, что христианская этика частично обусловила подъем энергетики. Вместе с тем именно энергетика сделала возможной более масштабную реализацию христианских идеалов и внесла большой вклад в развитие человеческого достоинства и свободы на Западе.

Средневековые инженеры, конечно, не ограничивали себя только энергетикой. На самом деле они продвинули многие формы римской инженерии, с такими исключениями, как бетонные конструкции и дорожное строительство. Важные успехи были достигнуты в строительстве зданий, мостов и каналов. Также были сделаны некоторые муниципальные усовершенствования. Тем не менее только новая энергетика впервые в человеческой истории начала освобождать людей, прежде бывших главными источниками энергии. Именно она была ответственна за перемены в образе жизни человека, начавшиеся в Средние века.

Энергия

Вода, ветер и сила животных стали главными источниками энергии, не связанными с мускульной силой человека, которые развивали средневековые инженеры. Новые движущие силы использовались для эксплуатации новых типов машин, изобретенных в Средние века. Современное машиностроение в большой степени произошло от примитивной ручной мельницы, сделанной из двух жерновов – один вращался на другом, которые приводились в движение вручную. Витрувий объяснил, как появились передаточные механизмы из штырей и углублений, так чтобы движение могло передаваться под любым углом относительно вращающейся оси. Некто в высшей степени изобретательный придумал коленчатый рычаг для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Коленчатый рычаг – кривошип – определенно использовался около 850 года, поскольку его изображение упомянуто в Утрехтском псалтыре (рис. 5.1). Водяное колесо, вероятно, было изобретено в I веке до н. э., и аналогичные приспособления, которые называли норвежскими мельницами, были широко распространены в Северной Европе. Есть свидетельство существования ранней водяной мельницы в Индии. Горизонтальные колеса с вертикальными осями не могли быть эффективными, если только не поместить их на границу течения или в водоворот. Но когда появились передаточные механизмы и колеса начали устанавливать в потоке воды вертикально, под прямым углом к оси жернова, широкое распространение получило вертикальное водяное колесо с горизонтальной осью.

Римляне познакомили разные регионы Европы с вертикальным водяным колесом в последние века империи. Поэт Авсоний писал о нем в IV веке, утверждая, что оно шумно мелет зерно и пилит камни на реке Рур, притоке Мозеля в Германии. Колеса часто крепили к баржам, стоящим на якоре на реках, как в классическом примере, когда Велизарий в 537 году защищал Рим от готов. К XI веку водяные мельницы уже широко применялись для разных целей. Они мололи муку, двигали кузнечные меха, приводили в действие пилы, использовались в сукновальных машинах, для производства бумаги, для нагнетания воды (рис. 5.2). Они работали в соляных шахтах, в пивоварнях, на фабриках.

Рис. 5.1. Самое раннее известное изображение коленного рычага для обеспечения вращательного движения, около 850 г.

В английской Книге Судного дня, датированной 1086 годом, сообщается о нескольких тысячах водяных колес разных типов, использованных на острове, которые обслуживали население, насчитывающее около 2 миллионов человек. Такие колеса часто устанавливали под мостами, чтобы использовать преимущества более быстрого течения там, однако вибрация разрушала мосты. Мост Нотр-Дам в Париже, построенный из дерева в 1413 году, по этой причине был полностью перестроен в 1440 году. Колесо также было приспособлено для использования течения под Лондонским мостом.

Рис. 5.2. Трехступенчатый насос в шахте рудника, приводимый в движение подливным колесом

Неизвестно, когда кому-то пришло в голову использовать энергию падающей воды, а не течения. Поток энергии может быть постоянным, пока остается постоянным напор воды, которая льется на жернов. В главе 4 упоминается о римском колесе в афинской Агоре, в котором использовалась энергия падающей воды, однако нет никаких указаний на то, что этот тип более или менее широко распространялся до XIV века. Хотя Бирингуччо довольно подробно описывает разные приспособления, используемые в металлургии, он говорит только о «водяных колесах» и считает само собой разумеющимся, что читатели знают, о чем идет речь. В 1556 году Агрикола изобразил верхненаливное водяное колесо (рис. 5.3). Грубые наброски такого колеса периодически появлялись на протяжении XIV века, а значит, люди постепенно оценили его превосходные качества. Водонепроницаемые дамбы и каналы для мельничных потоков было трудно строить и очень дорого обслуживать. Кроме того, население зачастую выступало против, особенно в Англии. Людям не нравилось, что общественные реки запруживаются частными дамбами. Свобода от подобного вмешательства и общий свободный доступ к рекам Англии был определен в Великой хартии вольностей. Подливные колеса

Рис. 5.3. Реверсивное верхненаливное колесо для подъема материала из рудника

в боковой части реки не мешали движению и часто являлись общественной собственностью, поэтому им отдавалось предпочтение. Тем не менее верхненаливные колеса обеспечивали большую энергию и потому мало-помалу вытеснили подливные.

Вторым важным источником энергии, который можно было использовать, являлся ветер. Первые ветряные мельницы в Европе появились в конце XII века. Самые ранние из них имели горизонтальные оси с вертикальными крыльями и, в силу необходимости, были очень маленькими, потому что вся мельница должна была поворачиваться, чтобы поместить крылья против ветра. К XV веку инженеры создали мельницы с наклонными осями и крыльями, установленными так, чтобы эффективнее улавливать ветер. В конце XV века появились так называемые башенные мельницы (рис. 5.4), что дало возможность строить мельницы больших размеров, ведь для перемещения крыльев достаточно было двигать только подвижный верх постройки. Как и водяные колеса, ветряные мельницы приводили в движение разные типы машин, и они были особенно популярны, а наибольшее распространение получили на равнинах северо-запада Европы, где не так уж много водопадов или быстротекущих рек. Ветряные мельницы избавляли от необходимости строить дорогостоящие дамбы для верхненаливных водяных колес.

Другим важным прорывом в использовании энергии ветра стало изобретение рангоута и такелажа для парусных судов, что позволило им менять направление по отношению к ветру, тем самым сделав суда независимыми от направления ветра и мускульной силы гребцов. В самом начале нашей эры жители Северной Европы строили суда с прямыми парусами, что позволяло им в какой-то степени плыть против ветра. Они имели возможность менять галс, потому что ставили мачты ближе к корме, чем средиземноморские судостроители, и команда могла повернуть парус почти вдоль диаметральной плоскости судна. Парусное вооружение совершенствовалось в период Средневековья, и, когда Вильгельм Завоеватель в 1066 году пересек Английский канал, он плыл на судах с прямыми парусами, которые не требовали наличия гребцов.

Рис. 5.4. Ветряная мельница и цепной насос XVII в.

(из Strada, Kunstliche Abriss, 1617–1618)

Пока эти усовершенствования шли в Северной Европе, на Средиземноморье появились косые паруса. Треугольный латинский парус возник в Юго-Западной Азии, откуда его принесли мусульмане во время завоеваний VII века. Греческие суда использовали латинский парус в IX веке, а суда итальянских городов – в XI. Когда на средиземноморских судах появились латинские паруса, весла им больше не потребовались. После XII века латинское парусное вооружение начало использоваться по всей Европе. В XV веке треугольный парус объединили с северным прямым парусом, и такая комбинация парусов позволила великим авантюристам того времени в конце XV и начале XVI века совершать грандиозные географические открытия. Новое парусное вооружение увеличило расстояние, которое может пройти судно, существенно снизив численность команд, более чем в два раза увеличив скорость и освободив людей от тяжелейшего труда – гребли.

Третьим новым источником энергии стала лошадь. В древности лошадь была самой неэффективной тягловой силой, поскольку ярмо, тогда использовавшееся, при увеличении усилия душило животное. Более того, без прибитых гвоздями подков лошадь нередко ломала копыта и становилась бесполезной. К X веку люди изобрели хомут, который опирался на плечи лошади и не душил ее. Также появилась подкова и двойная упряжь, позволявшая тащить груз нескольким лошадям. Лошадь быстрее и эффективнее быка, поэтому постепенно стала бесценным источником энергии в сельском хозяйстве и для приведения в действие машин.

Водяные колеса, ветряные мельницы, паруса и лошади были первыми «первичными двигателями», заменившими человека в качестве источника энергии. После изобретения в конце XV века башенной ветряной мельницы больше не было важных открытий в этой области до появления паровой машины.